Recherche

Le thème de recherche fondamentale du PRN est de s’inspirer de la nature pour la conception de nouveaux matériaux artificiels qui peuvent changer leurs propriétés « sur commande » , autrement dit en réponse à une stimulation externe. Ces matériaux dits parfois « intelligents » sont d’un intérêt fondamental pour les scientifiques et potentiellement utiles dans de nombreuses applications qui peuvent aller du contrôle de systèmes de climatisation aux systèmes de distribution de médicaments.

Dans un passé récent, les scientifiques ont commencé à regarder de plus près les principes appliqués par la nature pour concevoir des matériaux artificiels avec des propriétés réactives particulières. Des exemples de matériaux déjà étudiés par les différents groupes de recherche du PRN comprennent par exemple des nanocomposites inspirés par les concombres de mer qui s’adaptent mécaniquement, des nanoparticules qui déploient des médicaments en imitant la structure et le comportement des virus, et des éléments optiques qui reproduisent la nanostructure trouvée dans des ailes de papillon.

Avec l’objectif de réaliser des percées scientifiques majeures et de s’approprier l’énorme potentiel d’innovation dans ce domaine, le PRN a lancé un vaste projet interdisciplinaire qui réunit des compétences en chimie, physique, science des matériaux, biologie et médecine.

La recherche est organisée en quatre modules interdisciplinaires : les matériaux mécaniquement réactifs sur différentes échelles de longueur, l'auto-assemblage de matériaux optiques inspiré par la nature, les bio-interfaces et surfaces réactives et les interactions dynamiques entre cellules et matériaux.

  • Module 1. Matériaux mécaniquement réactifs sur différentes échelles de longueur

    Les matériaux sensibles au stress mécanique sont largement exploités par les organismes vivants dans la nature pour fournir une variété de fonctions biologiques, telles que la protection contre les prédateurs et les changements de forme, ainsi que la détection des stimuli externes et l'activation des réponses pertinentes. Les fonctions émergent souvent de processus biochimiques entraînés mécaniquement qui peuvent se dérouler à différentes échelles de longueur dans le matériel biologique. Quelques exemples qui se produisent à des échelles progressivement plus grosses sont les changements conformationnels induits par le stress des protéines des membranes cellulaires, la variation mécanique de la perméabilité ionique des organites cellulaires, la rupture par cisaillement des micro-conteneurs et l'action orchestrée de multiples cellules dans les tissus en régénération. Ces phénomènes mécaniques contrôlent l'adhérence et la perméabilité des membranes cellulaires, permettent la libération d'espèces réactives dans l'environnement et déclenchent les mécanismes complexes qui permettent l'auto-guérison, la régénération et le remodelage des tissus.

    Inspiré par ce riche répertoire de matériaux biologiques, le but principal du Module 1 est de concevoir et d'exploiter des phénomènes induits mécaniquement à différentes échelles de longueur pour donner des réponses mécaniques, optiques et biologiques qui sont jusqu’à présent inaccessibles avec les matériaux artificiels. À cette fin, notre équipe combine l'expertise en synthèse chimique, en préparation de nanoparticules, en microencapsulation et en impression 3D nécessaire pour créer des matériaux aux structures hiérarchiques et mécaniquement réactifs avec des fonctionnalités sans pareil.

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  • Module 2: Auto-assemblage de matériaux optiques inspiré par la nature

    Les couleurs brillantes des plantes, des insectes, des oiseaux et des mammifères sont parmi les exemples les plus intéressants et les plus attrayants de la façon dont la nature crée des matériaux complexes et les utilise pour des fonctions spécifiques telles que la signalisation ou le camouflage. La diversité des organismes biologiques et de leurs environnements très différents a conduit dans le cours de millions d’années à une variété illimitée de processus d'assemblage au niveau moléculaire donnant des matériaux aux architectures très complexes. Dans la vie quotidienne, les revêtements et pigments colorés jouent un rôle important dans une variété d'applications et de produits de consommation tels que les peintures, les aliments, les écrans, les emballages et les filtres optiques. Les objectifs des applications industrielles sont souvent à l'image des défis auxquels la nature est confrontée : haute pureté de la couleur, densité optique, stabilité de blanchiment et longue durée de vie.

    Dans le Module 2, nous nous efforçons de tirer parti de l'inspiration donnée par la nature pour mieux comprendre et exploiter l'assemblage biologique des matériaux optiques. Nos principaux objectifs sont de développer de nouveaux concepts pour la préparation de matériaux optiques inspirés de la nature, d'avancer vers la fabrication de matériaux et de les tester dans des applications pratiques. À cette fin, le programme de recherche est structuré en deux parties : 1) Comprendre l'assemblage des matériaux optiques dans la nature et développer un nouvel ensemble d'outils pour synthétiser des structures optiques spécifiques, et 2) Fabriquer et appliquer des matériaux optiques basés sur les concepts de coloration structurale tirés de la nature. La recherche du module réunit des compétences complémentaires en chimie colloïdale, en physique, en diffusion et en auto-assemblage de colloïdes. Les chercheurs du Module 1 apportent leur expertise de synthèse et certains des résultats du Module 2 bénéficient au Module 3, comme par exemple dans le contexte de la biodétection.

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  • Module 3. Bio-interfaces et surfaces réactives

    Les matériaux réactifs aux stimuli externes ont fait l’objet de beaucoup d’attentions au cours de la dernière décennie en raison de son potentiel pour détecter ou imiter l'environnement cellulaire, qui se caractérise par être hautement complexe et dynamique. De tels matériaux peuvent non seulement influencer directement le comportement des cellules (stimuli extrinsèques) mais aussi modifier leurs propriétés lors de l'interaction avec les cellules (stimuli intrinsèques). De plus, ces matériaux, dits intelligents, sont potentiellement utiles pour le développement des dispositifs de diagnostic clinique conçus pour surveiller les biomarqueurs de maladies circulatoires, qui sont fortement dilués dans des fluides biologiques complexes.

    Le but du Module 3 est de passer de l'approche fondamentale particule-cellule aux biointerfaces et surfaces à l’échelle nanométrique avec les objectifs ultimes suivants : (i) utiliser des matériaux sensibles aux stimuli comme substrats pour diriger la croissance cellulaire et la différenciation tissulaire, (ii) comprendre les interactions des matériaux avec les cellules à un niveau fondamental, (iii) induire ou empêcher des réponses spécifiques des cellules, par exemple pour augmenter la concentration intracellulaire en nanoparticules ou empêcher des infections virales, et (iv) détecter des marqueurs biologiques dans les environnements complexes et dilués, comme l'ADN tumoral en circulation. Ces objectifs très ambitieux exigent une approche interdisciplinaire qui s'appuie sur le large éventail d'expertises représentées dans ce module qui comprend des spécialistes des matériaux, des biologistes cellulaires et des chercheurs en médecine.

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  • Module 4. Interactions dynamiques entre cellules et matériaux

    Les essais cellulaires classiques utilisés dans la découverte de médicaments et la diagnose sont généralement statiques et ne sont donc pas représentatifs du contexte spatialement complexe et hautement dynamique des tissus vivants. Les systèmes de pointe dits "organs-on-a-chip" permettent la modulation dynamique des milieux de culture de cellules liquides, mais sont fabriqués à partir de matériaux (p. ex. verre ou PDMS) qui ne favorisent pas l'auto-organisation des cellules souches en tissus miniatures fonctionnels appelés "organoïdes". Dans le Module 4, nous nous efforçons de développer une plateforme microfluidique polyvalente pour obtenir de manière reproductible des organoïdes à partir de cellules souches primaires (et tumorales) directement "on-chip" et dans des hydrogels d'inspiration biologique, et diriger leur développement in situ par le moyen de polymères qui répondent aux stimuli magnétiques et optiques. Ces navettes colloïdales permettront la transmission spatiotemporelle contrôlée des principaux facteurs de signalisation impliqués dans le développement tissulaire (et tumoral). La technologie des "chips" microfluidiques sera déployée pour 1) élucider les mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels l'organisation tissulaire émerge grâce à l'auto-organisation des cellules souches, et 2) étudier comment l'organisation tissulaire est perturbée dans le cancer. Le Module 4 vise à rassembler les recherches de tous les modules précédents pour relever deux défis biologiques et cliniques pertinents qui ont échappé jusqu'à présent aux approches in vitro et in vivo classiques.

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